一種螺旋加載的螺栓軸向拉伸載荷分析教具及其操作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種螺旋加載的螺栓軸向拉伸載荷分析教具，包括基板和豎設(shè)于基板兩側(cè)的導(dǎo)桿，基板上側(cè)固連有連接板，連接板上方設(shè)有加載板，加載板上方設(shè)有頂板；頂板與連接板之間夾設(shè)有上、下被聯(lián)接件，上、下被聯(lián)接件均包括外件和內(nèi)件，內(nèi)件套于所述外件內(nèi)腔并可相對外件上、下運(yùn)動，內(nèi)、外件之間還夾設(shè)有海綿墊；還包括倒置的橡膠螺栓，橡膠螺栓由下往上依次穿過連接板、上、下被聯(lián)接件、加載板和頂板后由螺母鎖緊；所述墊圈和頂板之間、頂板與加載板之間以及上、下被聯(lián)接件之間夾設(shè)有稱重傳感器。同時(shí)，本發(fā)明還涉及一種螺旋加載的螺栓軸向拉伸載荷分析教具的操作方法。本發(fā)明教具不僅成本低，體積小，便于攜帶，而且操作方便，教學(xué)效果好。
【專利說明】 一種螺旋加載的螺栓軸向拉伸載荷分析教具及其操作方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種螺旋加載的螺栓軸向拉伸載荷分析教具及其操作方法，屬于教學(xué)用具領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]螺栓聯(lián)接是緊固件聯(lián)接中最基本的一種結(jié)構(gòu)形式，而緊螺栓聯(lián)接是最常見的，被廣泛的應(yīng)用在現(xiàn)代工業(yè)當(dāng)中。如何很好的理解和掌握緊螺栓聯(lián)接軸向加載的整個(gè)動態(tài)過程的這部分知識來更好設(shè)計(jì)螺栓和使用螺栓就具有很重大的意義。但是由于螺栓施加載荷后的變形量很小，且這部分的理論知識比較抽象，難以被學(xué)習(xí)者所理解。現(xiàn)有的緊螺栓聯(lián)接教學(xué)儀器尚無能夠直觀演示從施加預(yù)緊力到施加載荷的整個(gè)變化過程。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種成本低，體積小，便于攜帶，而且操作方便的螺旋加載的螺栓軸向拉伸載荷分析教具及其操作方法。
[0004]本發(fā)明采用以下方案實(shí)現(xiàn):一種螺旋加載的螺栓軸向拉伸載荷分析教具，包括基板和豎設(shè)于基板兩側(cè)的導(dǎo)桿，所述基板上側(cè)固連有連接板，所述連接板上方設(shè)有可沿導(dǎo)桿上、下滑動的加載板，加載板上方設(shè)有可沿導(dǎo)桿上、下滑動的頂板；所述頂板與連接板之間夾設(shè)有上、下對稱設(shè)置的上、下被聯(lián)接件，所述上、下被聯(lián)接件均包括外件和內(nèi)件，所述內(nèi)件套于所述外件內(nèi)腔并可相對外件上、下運(yùn)動，所述加載板上開設(shè)有以利上被聯(lián)接件穿過的中孔，內(nèi)、外件之間還夾設(shè)有海綿墊；還包括倒置的橡膠螺栓，所述橡膠螺栓由下往上依次穿過連接板、上、下被聯(lián)接件、加載板和頂板后由螺母鎖緊；所述橡膠螺栓上還套設(shè)有位于螺母下方的墊圈；所述加載板前、后側(cè)與基板之間分別連接有斜置的第一連桿，所述第一連桿上端與加載板對應(yīng)側(cè)側(cè)部相鉸接，第一連桿下端與一滑塊相鉸接，所述滑塊嵌設(shè)于基板上對應(yīng)側(cè)的沿橫向設(shè)置的第一導(dǎo)槽內(nèi)并可相對第一導(dǎo)槽左、右滑動；所述基板側(cè)部橫設(shè)有用以驅(qū)動滑塊滑動的絲桿。
[0005]進(jìn)一步的，所述墊圈和頂板之間、頂板與加載板之間以及上、下被聯(lián)接件之間夾設(shè)有稱重傳感器。
[0006]進(jìn)一步的，所述加載板前、后側(cè)與基板之間分別還連接有與第一連桿交叉設(shè)置的第二連桿，所述第二連桿下端與基板對應(yīng)側(cè)側(cè)部相鉸接，第一連桿與第二連桿的交叉部相鉸接，第二連桿上端與一子母螺釘相鉸接，所述子母螺釘穿設(shè)于加載板上對應(yīng)側(cè)的沿橫向設(shè)置的第二導(dǎo)槽內(nèi)并可相對第二導(dǎo)槽左、右滑動。
[0007]進(jìn)一步的，還包括游標(biāo)卡尺，所述基板內(nèi)設(shè)置有與稱重傳感器電連接的電路板，基板前側(cè)設(shè)置有顯示屏。
[0008]同時(shí)，本發(fā)明還提供一種螺旋加載的螺栓軸向拉伸載荷分析教具的操作方法，采用如上所述的一種螺旋加載的螺栓軸向拉伸載荷分析教具，并按以下步驟進(jìn)行:(1)反向旋轉(zhuǎn)絲桿，將加載板調(diào)至最低位置，調(diào)整螺母使其處于未擰緊狀態(tài)，測出上、下被聯(lián)接件的初始總厚度，橡膠螺栓初始長度；(2)緩慢擰緊螺母，預(yù)緊到預(yù)定載荷，測出橡膠螺栓的總載荷、橡膠螺栓的預(yù)緊力、上、下被聯(lián)接件的總厚度以及橡膠螺栓長度；(3)反向旋轉(zhuǎn)絲桿，使加載板向上運(yùn)動對橡膠螺栓進(jìn)行軸向加載，施加到預(yù)定載荷后，停止加載，測出的橡膠螺栓總載荷、橡膠螺栓殘余預(yù)緊力、加載板的施加載荷、上、下被聯(lián)接件的總厚度以及橡膠螺栓長度；(4)擰松螺母，反向旋轉(zhuǎn)絲桿卸載，操作完成。
[0009]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:不僅成本低，體積小，便于攜帶，而且便于操作，教師可以直接在課堂操作，直觀演示緊螺栓聯(lián)接軸向加載整個(gè)過程，將抽象的知識具體化，能夠動態(tài)演示從施加預(yù)緊力到施加載荷的整個(gè)變化過程，從而達(dá)到教師更好教學(xué)和學(xué)生更好掌握理論知識的目的。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是本發(fā)明實(shí)施例構(gòu)造示意圖；
圖2是本發(fā)明實(shí)施例中橡膠螺栓構(gòu)造示意圖；
圖中標(biāo)號說明:1-橡膠螺栓、2-螺母、3-墊圈、4-游標(biāo)卡尺、5-固定板、6-導(dǎo)桿、7-稱重傳感器、8-頂板、9-加載板、10-子母螺釘、11-第二連桿、12-第一連桿、13-加載手柄、14-絲桿、15-滑塊、16-基板、17-電路板、18-顯示屏、19-連接板、20-內(nèi)件、21-外件、22-海綿墊、23-夾板。

【具體實(shí)施方式】
[0011]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下將通過具體實(shí)施例和相關(guān)附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0012]如圖f 2所示，一種螺旋加載的螺栓軸向拉伸載荷分析教具，包括基板16和豎設(shè)于基板16兩側(cè)的導(dǎo)桿6，導(dǎo)桿6上端還連接有固定板5，所述基板上側(cè)固連有連接板19，所述連接板19上方設(shè)有可沿導(dǎo)桿6上、下滑動的加載板9，加載板9上方設(shè)有可沿導(dǎo)桿6上、下滑動的頂板8 ;所述頂板8與連接板19之間夾設(shè)有上、下對稱設(shè)置的上、下被聯(lián)接件，所述加載板9上開設(shè)有以利上被聯(lián)接件穿過的中孔，所述上、下被聯(lián)接件均包括外件21和內(nèi)件20，所述內(nèi)件20套于所述外件21內(nèi)腔并可相對外件21上、下運(yùn)動，上被聯(lián)接件的內(nèi)件固連于頂板8下側(cè)，下被聯(lián)接件的內(nèi)件固連于連接板19上側(cè)，內(nèi)、外件(20、21)之間還夾設(shè)有海綿墊22 ;采用海綿墊22替代被聯(lián)接件受壓，可以較好的降低被聯(lián)接件的剛度。
[0013]還包括倒置的橡膠螺栓1，橡膠螺栓I為大螺距橡膠螺栓，這樣既保證螺栓原本的結(jié)構(gòu)，又能使其在加載過程中將原有的微小的變形量進(jìn)行放大，并能夠被觀察出來，起到較好的演示效果。所述橡膠螺栓I由下往上依次穿過連接板19、上、下被聯(lián)接件、加載板9和頂板8后由螺母2鎖緊；所述橡膠螺栓I上還套設(shè)有位于螺母2下方的墊圈3 ;所述墊圈3和頂板8之間、頂板8與加載板9之間以及上、下被聯(lián)接件之間夾設(shè)有稱重傳感器7，運(yùn)用替代與放大的方法，在滿足胡克定律的情況下，用大螺距橡膠螺栓I與小勁度系數(shù)彈性元件代替螺栓聯(lián)接件與被連接件受力，放大了原本螺栓與被聯(lián)接件受載荷后的微小變形，使其能夠被直接觀察出來。
[0014]在本實(shí)施例中，加載板9前、后側(cè)與基板16之間分別連接有斜置的第一連桿12，所述第一連桿12上端與加載板9對應(yīng)側(cè)側(cè)部相鉸接，第一連桿12下端與一滑塊15相鉸接，所述滑塊15嵌設(shè)于基板16上對應(yīng)側(cè)的沿橫向設(shè)置的第一導(dǎo)槽內(nèi)并可相對第一導(dǎo)槽左、右滑動；所述基板16側(cè)部設(shè)有驅(qū)動滑塊15滑動的絲桿14，所述基板16內(nèi)部設(shè)有套于絲桿14上的螺母，該螺母與滑塊15通過連接桿固連，所述絲桿14端部設(shè)有加載手柄13，通過轉(zhuǎn)動加載手柄13，經(jīng)絲桿14和滑塊15驅(qū)動第一連桿12下端滑動，進(jìn)而驅(qū)動加載板9升降實(shí)現(xiàn)加載與卸載。
[0015]在本實(shí)施例中，為了使加載機(jī)構(gòu)受力平衡，所述加載板9前、后側(cè)與基板16之間分別還連接有與第一連桿12交叉設(shè)置的第二連桿11，所述第二連桿11下端與基板16對應(yīng)側(cè)側(cè)部相鉸接，第一連桿12與第二連桿11的交叉部相鉸接，第二連桿11上端與一子母螺釘10相鉸接，所述子母螺釘10穿設(shè)于加載板9上對應(yīng)側(cè)的沿橫向設(shè)置的第二導(dǎo)槽內(nèi)并可相對第二導(dǎo)槽左、右滑動。
[0016]在本實(shí)施例中，還包括用以測量變形長度的游標(biāo)卡尺4 ;所述基板16內(nèi)設(shè)置有與稱重傳感器7電連接的電路板17，基板16前側(cè)設(shè)置有顯示屏18，利用游標(biāo)卡尺4以及由單片機(jī)控制的稱重傳感器，測出不同狀態(tài)下被聯(lián)接件的壓力值與壓縮量、螺栓的長度以及拉力，并將采集到的信息傳送至液晶顯示屏上，直觀演示出螺母、預(yù)緊、施加載荷的整個(gè)動態(tài)變化的過程中螺桿載荷的變化。
[0017]本發(fā)明的工作原理:
為了使所設(shè)計(jì)的分析儀能夠直觀的演示緊螺栓聯(lián)接軸向加載從未擰緊螺母到施加軸向載荷的整個(gè)動態(tài)過程，同時(shí)能夠直觀看出螺栓形變量并通過數(shù)值顯示出施加載荷和預(yù)緊力的變化，為此采用等效替代與放大的方法，利用橡膠螺栓來放大螺栓的變形量，小勁度系數(shù)海綿代替被連接件來降低被連接件的剛度。考慮到老師教學(xué)過程中與同學(xué)互動更容易進(jìn)行，采用手動操作的方式，同時(shí)采用數(shù)顯模塊直觀顯示出拉、壓力值的變化。
[0018]采用這樣的等效替代與放大的方法來設(shè)計(jì)螺栓結(jié)構(gòu)，既要保證螺栓原本的結(jié)構(gòu)，又能使其在加載過程中將原有的微小的變形量進(jìn)行放大，使得教具在演示過程中的變形量能夠觀察出來，起到較好的演示效果。
[0019]用橡膠螺栓替代螺栓，小勁度系數(shù)海綿墊替代被連接件，兩者都在滿足胡克定律的范圍內(nèi)。設(shè)橡膠螺栓為B，剛度為Cb，被聯(lián)接件為海綿墊M，剛度為Cm。
[0020]狀態(tài)1:螺母未擰緊狀態(tài)，此時(shí)橡膠螺栓和海綿墊都處在自由狀態(tài)；
狀態(tài)2:螺母預(yù)緊狀態(tài)，螺母在擰緊過程中對海綿墊M施加壓力，海綿墊M被壓縮長度為Am;橡膠螺栓B由于螺母向下擰緊，受到向上的力而被拉伸，伸長量為Xb;海綿墊M所受到的壓力和橡膠螺栓B受到的拉力大小均為預(yù)緊力F。；
狀態(tài)3:施加拉伸載荷F后的狀態(tài)，這時(shí)橡膠螺栓B在狀態(tài)2的基礎(chǔ)上被繼續(xù)拉長，橡膠螺栓B的伸長量為Λ λ，拉力增加到F2;而海綿墊M壓力減小到F1 (殘余預(yù)緊力)，其減小量為:Δ λ *Cm =F「Ftl ;所要求的橡膠螺栓B受到的總拉力為T2=Fc^A λ *Cb ；
此時(shí)，聯(lián)接螺母在狀態(tài)3時(shí)的受力平衡條件為=F2=F+ F1 (I)；
因?yàn)樵跔顟B(tài)2到狀態(tài)3中，橡膠螺栓B的伸長量和海綿墊M的壓縮量相等，都為Λ入， Λ 入=(F2- F0)/Cb= (F0- F1)/Cffl (2)
聯(lián)立得出結(jié)論:
F1= F0- [Cffl/( Cb+ Cffl) ]*F；
F2= F0+[Cb/( Cb+ Cffl) ]*F； 最后得出結(jié)論與課本中的結(jié)論一樣，證明所建立的模型可行。
[0021]一種螺旋加載的螺栓軸向拉伸載荷分析教具的操作方法，采用如上所述的一種螺旋加載的螺栓軸向拉伸載荷分析教具，并按以下步驟進(jìn)行:(1)反向旋轉(zhuǎn)絲桿，將加載板調(diào)至最低位置，調(diào)整螺母使其處于未擰緊狀態(tài)，測出上、下被聯(lián)接件的初始總厚度，橡膠螺栓初始長度；(2)緩慢擰緊螺母，預(yù)緊到預(yù)定載荷，測出橡膠螺栓的總載荷、橡膠螺栓的預(yù)緊力、上、下被聯(lián)接件的總厚度以及橡膠螺栓長度；(3)反向旋轉(zhuǎn)絲桿，使加載板向上運(yùn)動對橡膠螺栓進(jìn)行軸向加載，施加到預(yù)定載荷后，停止加載，測出的橡膠螺栓總載荷、橡膠螺栓殘余預(yù)緊力、加載板的施加載荷、上、下被聯(lián)接件的總厚度以及橡膠螺栓長度；(4)擰松螺母，反向旋轉(zhuǎn)絲桿卸載，操作完成。
[0022]在該操作方法中，橡膠螺栓的預(yù)緊力和殘余預(yù)緊力由夾于上、下被聯(lián)接件之間的稱重傳感器測出；橡膠螺栓的總載荷由夾于墊圈3和頂板8之間的稱重傳感器測出，加載板的施加載荷由夾于頂板8與加載板9之間的稱重傳感器測出，上、下被聯(lián)接件的總厚度和橡膠螺栓長度使用游標(biāo)卡尺測出。
[0023]上列較佳實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種螺旋加載的螺栓軸向拉伸載荷分析教具,其特征在于:包括基板和豎設(shè)于基板兩側(cè)的導(dǎo)桿，所述基板上側(cè)固連有連接板，所述連接板上方設(shè)有可沿導(dǎo)桿上、下滑動的加載板，加載板上方設(shè)有可沿導(dǎo)桿上、下滑動的頂板；所述頂板與連接板之間夾設(shè)有上、下對稱設(shè)置的上、下被聯(lián)接件，所述上、下被聯(lián)接件均包括外件和內(nèi)件，所述內(nèi)件套于所述外件內(nèi)腔并可相對外件上、下運(yùn)動，所述加載板上開設(shè)有以利上被聯(lián)接件穿過的中孔，內(nèi)、外件之間還夾設(shè)有海綿墊；還包括倒置的橡膠螺栓，所述橡膠螺栓由下往上依次穿過連接板、上、下被聯(lián)接件、加載板和頂板后由螺母鎖緊；所述橡膠螺栓上還套設(shè)有位于螺母下方的墊圈；所述加載板前、后側(cè)與基板之間分別連接有斜置的第一連桿，所述第一連桿上端與加載板對應(yīng)側(cè)側(cè)部相鉸接，第一連桿下端與一滑塊相鉸接，所述滑塊嵌設(shè)于基板上對應(yīng)側(cè)的沿橫向設(shè)置的第一導(dǎo)槽內(nèi)并可相對第一導(dǎo)槽左、右滑動；所述基板側(cè)部橫設(shè)有用以驅(qū)動滑塊滑動的絲桿；所述墊圈和頂板之間、頂板與加載板之間以及上、下被聯(lián)接件之間夾設(shè)有稱重傳感器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的螺旋加載的螺栓軸向拉伸載荷分析教具，其特征在于:所述加載板前、后側(cè)與基板之間分別還連接有與第一連桿交叉設(shè)置的第二連桿，所述第二連桿下端與基板對應(yīng)側(cè)側(cè)部相鉸接，第一連桿與第二連桿的交叉部相鉸接，第二連桿上端與一子母螺釘相鉸接，所述子母螺釘穿設(shè)于加載板上對應(yīng)側(cè)的沿橫向設(shè)置的第二導(dǎo)槽內(nèi)并可相對第二導(dǎo)槽左、右滑動。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的螺旋加載的螺栓軸向拉伸載荷分析教具，其特征在于:還包括游標(biāo)卡尺，所述基板內(nèi)設(shè)置有與稱重傳感器電連接的電路板，基板前側(cè)設(shè)置有顯示屏。
4.一種螺旋加載的螺栓軸向拉伸載荷分析教具的操作方法，其特征在于:采用權(quán)利要求Γ3中所述的任一種螺旋加載的螺栓軸向拉伸載荷分析教具，并按以下步驟進(jìn)行:(1)反向旋轉(zhuǎn)絲桿，將加載板調(diào)至最低位置，調(diào)整螺母使其處于未擰緊狀態(tài)，測出上、下被聯(lián)接件的初始總厚度，橡膠螺栓初始長度；(2)緩慢擰緊螺母，預(yù)緊到預(yù)定載荷，測出橡膠螺栓的總載荷、橡膠螺栓的預(yù)緊力、上、下被聯(lián)接件的總厚度以及橡膠螺栓長度；(3)反向旋轉(zhuǎn)絲桿，使加載板向上運(yùn)動對橡膠螺栓進(jìn)行軸向加載，施加到預(yù)定載荷后，停止加載，測出的橡膠螺栓總載荷、橡膠螺栓殘余預(yù)緊力、加載板的施加載荷、上、下被聯(lián)接件的總厚度以及橡膠螺栓長度；(4)擰松螺母，反向旋轉(zhuǎn)絲桿卸載，操作完成。
【文檔編號】G09B25/02GK104332102SQ201410672233
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年11月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月22日
【發(fā)明者】張翔, 鐘壽洋, 羅龍和 申請人:福建農(nóng)林大學(xué)